增壓系統海拔自適應和調節能力研究*

張慧龑，湯旭陽，石 磊，鄧康耀

（1. 上海交通大學，動力機械及工程教育部重點實驗室，上海 200240；2. 中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

前言

柴油機變海拔運行時，具備一定的海拔自調節能力。同時，通過增壓系統的變海拔調節，能夠進一步提高增壓系統的海拔適應性，不同結構和調節方式的增壓系統海拔適應和調節能力存在差異。對此，國內外學者針對典型的增壓系統開展了增壓系統海拔適應及其調節能力研究。

變海拔運行時，電動式廢氣放氣閥方案被應用在廢氣放氣式增壓器。昆明理工大學的申立中等的試驗結果顯示，廢氣放氣式增壓柴油機能在2000 m 以下海拔實現功率不降，但高負荷工況的燃油消耗率明顯增加。中國北方發動機研究所李書奇等擴大廢氣放氣式增壓器在高原運行的超速裕度，提高了柴油機的海拔適應能力，試驗結果表明4000 m 海拔運行時，轉矩仍有較大幅度下降，轉矩儲備系數降幅達到12.4%。商海昆等對于匹配了廢氣放氣式增壓器的電控高壓共軌柴油機調整供油策略，能夠一定程度上增加柴油機的海拔適應能力。

通過可變截面式渦輪增壓器（VGT）流通面積的調節，實現了增壓系統進氣壓比和流量的調節。與廢氣放氣式增壓器相比，是一種高效的調節方式。中國北方發動機研究所靳嶸等通過變海拔試驗得知，采用VGT 增壓器的柴油機在4000 m 海拔運行時，最大轉矩點轉速維持不變，且轉矩降幅小于5%。上海交通大學通過VGT 變海拔控制，能夠實現增壓壓力和轉矩在3000 m海拔以下完全恢復，4500 m 海拔的轉矩比廢氣放氣式增壓柴油機有所提升，且獲得了較高的進排氣壓差。王俊等的研究表明，在1920 m 海拔以下，通過VGT 的調節，能夠實現柴油機功率完全恢復至平原水平，最大油耗率上升比例低于3%。北京交通大學的高榮剛等通過VGT 的調節使柴油機在4000 m 海拔運行時，功率下降幅度低于4%，但此時增壓器轉速已達最大轉速限值。中南大學和湖南天雁公司通過高原試驗，總結出增壓柴油機海拔運行能力受制于增壓器喘振與超速以及柴油機排氣超溫。楊名洋等進一步歸納出單級增壓柴油機變海拔運行的限制邊界。研究表明，單級增壓器無法實現3800 m以上海拔進氣量的完全恢復。

兩級增壓系統具備進氣量完全恢復至平原值的供氣能力。北京理工大學劉系暠的研究結果表明，兩級增壓柴油機在海拔5500 m時最大轉矩和標定點功率相對單級增壓柴油機分別提高15.5%和27.2%，兩級增壓器的壓氣機運行點位于高效率區且不會超速。中國北方發動機研究所和上海交通大學針對不同的重載柴油機分別進行的變海拔性能試驗研究發現，不可調兩級增壓柴油機的海拔適應能力強于單級增壓柴油機，但增壓系統效率較低引起的泵氣負功較大，柴油機經濟性也較差。

研究表明，以平原額定工況點作為匹配點并采用低壓級渦輪旁通調節方式的兩級增壓系統，海拔2000 m 以下柴油機功率恢復到平原水平，海拔5500 m 時功率恢復至平原的80%，2000-5500 m 區間隨海拔高度升高功率近似線性遞減。以最高海拔最大轉矩工況為匹配點并采用高壓級渦輪旁通調節方式的兩級增壓系統，實現了柴油機在3000 m以下運行功率不變，4500 m 運行功率下降小于15%的目標。國內其他研究單位以不同的柴油機為研究對象，匹配了可調兩級增壓系統，得到類似的海拔適應性結果。軍事交通學院均采用高壓級和低壓級VGT 的兩級增壓系統進行變海拔調節，在5500 m 海拔運行時，功率恢復至平原時的95%以上，并且降低了1200 r/min 以下低速工況燃油消耗率。研究表明，采用三級甚至多級增壓系統，能使發動機滿足更高海拔的運行需求。

盡管現有的文獻針對不同形式的增壓系統分別進行了增壓柴油機的海拔適應及其調節能力的研究，但是，這類研究大多針對某一固定型號的柴油機或增壓系統開展仿真或試驗研究，研究結果并不具備通用性。而且現有的研究沒有針對增壓系統的海拔適應或調節能力提出相應的分析和評估方法，只能依賴于大量的試驗測試。故須開展增壓系統的海拔適應和調節能力研究，建立增壓柴油機的海拔適應性和海拔調節能力的分析方法，以滿足工程應用需求。

本文中采用熱力學推導的方法，建立了增壓系統的海拔自適應能力與海拔調節能力分析模型，分析了增壓柴油機海拔適應能力的影響因素；提出了典型的增壓系統的海拔適應和調節能力分析方法，并在柴油機變海拔性能試驗臺架上開展試驗研究，驗證了該分析方法的準確性。

1 柴油機變海拔性能測試試驗臺架

本文中選用了上海柴油機股份有限公司生產的SC7H245Q5型柴油機，并匹配了兩級增壓系統，如圖1所示。海拔環境采用進排氣模擬的方式實現，低壓級壓氣機入口和高壓級渦輪出口與環境模擬系統相連。高原環境模擬系統的主要設備和技術指標見表1。

表1 環境模擬設備主要技術指標

圖1 增壓柴油機性能測試試驗臺

2 增壓柴油機的海拔自適應與調節能力

2.1 增壓系統海拔自適應能力模型

海拔自適應能力是指不經過增壓系統的主動調節，只由柴油機的自補償作用實現一定的海拔適應能力，此時柴油機的輸出功率與平原相同。對于增壓柴油機，海拔自調節能力包括燃燒自適應調節能力和增壓系統自適應能力兩部分。在柴油機變海拔運行時，燃燒自適應能力是通過降低燃燒過程的進氣量和增加燃油消耗率，實現柴油機的功率不變。

海拔高度與環境壓力的對應關系為

式中：為海拔高度與環境壓力變化的比例系數；和分別為高原和平原的環境壓力。

自然吸氣柴油機的進氣壓力與環境壓力相同，燃燒過程的海拔自適應能力與過量空氣系數下降裕度Δ的關系為

過量空氣系數的裕度決定了自然吸氣柴油機的海拔自適應能力。同時，環境溫度變化范圍較小，對燃燒調節能力的影響較小。1400 r/min 轉速40%低負荷（384 N·m）和外特性（965 N·m）工況的燃燒過程海拔調節能力如圖2 所示。由于平原運行時低負荷工況過量空氣系數較大，燃燒過程自調節裕度也相對較大。因此，部分負荷工況具備實現較高海拔的自調節能力。

圖2 柴油機燃燒裕度與海拔自調節能力的關系

根據文獻［26］中的研究成果，適用于高原運行大膨脹比的渦輪流通特性可以表示為

式中：為增壓系統的等效面積；為排氣比熱容比；為渦輪入口溫度；為渦輪總膨脹比。

增壓系統穩定運行時，壓氣機總耗功與渦輪總膨脹功平衡，故渦輪的壓比可表示為

式中：和分別為空氣和廢氣的定壓比熱容；為增壓系統效率；為空氣比熱容比；為壓氣機的總壓比。

將式（3）～式（5）聯立，獲得增壓系統變海拔運行的壓比需求：

考慮到增壓柴油機大多帶有進氣中冷器，且中冷能力能夠滿足柴油機的運行需求，因此，k可以視為常數。根據式（1），增壓柴油機海拔自調節能力可以表示為

式中為高原運行柴油機的進氣壓力。可以看出，增壓柴油機的海拔自調節能力主要與環境參數、過量空氣系數及其裕度、增壓系統等效渦輪面積與系統效率和柴油機工況有關。

根據式（7），考查不同負荷下柴油機海拔自調節能力的影響。1400 r/min 轉速40%負荷和外特性工況，其自調節海拔高度如圖3（a）所示。與圖2 的結果相比，固定截面增壓柴油機的海拔自調節高度超過了自然吸氣柴油機，說明增壓柴油機具有更強的海拔自調節能力。進一步探究增壓系統參數對固定截面柴油機海拔自調節能力的影響。在分析中，避免了高海拔運行時增壓系統運行邊界的限制，如增壓器最高轉速等。由圖3（a）可以看出，增壓系統等效面積越小，柴油機的海拔自調節能力越強。增壓系統等效面積=7.8 cm時，不同增壓系統效率下自調節海拔高度，如圖3（b）所示。在相同過量空氣系數裕度時，增壓系統效率越高，柴油機的海拔自調節能力越強。通過以上分析，增壓系統的等效面積與效率均對增壓柴油機的海拔自調節能力產生影響，為了實現高海拔自調節能力，增壓系統需采用較小的等效面積且維持較高的系統效率。

圖3 柴油機負荷、增壓系統參數對柴油機海拔自調節能力的影響

下面探討不同轉速下增壓柴油機的海拔自調節能力，此時增壓系統的等效面積維持不變，其結果如圖4 所示。可以看出，柴油機轉速越高，相同過量空氣系數裕度下海拔自調節能力越強。1000 r/min 轉速工況的海拔自調節高度為1250 m，2300 r/min 轉速工況的海拔自調節高度為3230 m。若柴油機的海拔自調節能力不滿足海拔適應高度需求，需對增壓系統進行調節，即減小增壓系統等效面積或增大系統效率。

圖4 柴油機轉速對海拔自調節能力的影響

2.2 增壓系統的海拔調節能力

通過增壓系統的調節能夠實現更大的海拔適應和調節能力。對于可調增壓柴油機，增壓系統等效調節引起的柴油機海拔調節能力變化可以用下式表示：

式中上角標“′”表示增壓系統調節后的參數。

以1400 r/min、100%負荷工況為例分析，單級旁通調節、兩級高壓級旁通調節和低壓級旁通調節增壓系統的海拔調節能力，如圖5（a）所示。可以看出，在相同過量空氣系數裕度下，單級增壓系統的海拔調節能力最強，兩級增壓系統低壓級調節方式的海拔調節能力最弱。同時，由圖5（b）不同調節方式在海拔調節時的過量空氣系數變化可知，單級增壓柴油機的供氣能力不足，增壓系統調節仍不能改變過量空氣系數隨著運行海拔的升高而快速降低的趨勢，其海拔調節能力通過降低過量空氣系數實現。高原匹配的兩級增壓系統低壓級調節方式的供氣調節能力不足，在海拔降低后過量空氣系數快速升高，甚至導致平原運行時最大爆發壓力超限。只有高原匹配的兩級增壓系統高壓級調節方式能夠在實現4500 m 海拔大跨度調節的同時維持平原的過量空氣系數。

圖5 不同增壓系統調節方式的海拔高度調節能力

增壓系統調節過程中，等效面積的改變伴隨著系統效率的變化，其結果如圖6 所示。海拔調節高度需求低于2000 m時，若可以接受的增壓系統效率下降裕度較大，則可以選用兩級增壓系統高壓級調節、兩級增壓系統低壓級調節和單級增壓系統調節3 種調節方式；海拔調節高度需求達到4500 m 時，即使增壓系統效率調節裕度繼續增大，兩級增壓系統低壓級調節方式仍無法滿足大海拔跨度的調節需求。若過量空氣系數和增壓系統效率下降裕度較小，則只能選擇兩級增壓系統高壓級調節方式。

圖6 不同增壓系統調節方式的海拔調節范圍

3 試驗驗證

首先，通過臺架試驗，獲得了增壓柴油機典型工況在0、2000、3000 和4500 m 海拔運行時不同高壓級旁通閥開度下的過量空氣系數和200 N·m 與外特性工況下的試驗結果，見表2和表3。通過式（7），可以計算出不同工況柴油機的海拔自適應能力，計算結果與試驗結果的比較如圖7 和圖8 所示。相同等效面積時，低負荷工況的海拔自適應能力更強，能夠實現更高海拔的運行高度。由變海拔臺架試驗結果與預測結果的對比可知，固定增壓系統的海拔自調節能力分析方法所得到的預測值可以用來分析或評估不同等效面積的增壓系統的海拔自適應高度。

圖7 200 N·m低負荷工況增壓系統等效面積海拔自調節能力計算值與試驗結果對比

圖8 外特性工況增壓系統等效面積海拔自調節能力計算值與試驗結果對比

表2 200 N·m工況變海拔過量空氣系數

表3 外特性工況變海拔過量空氣系數

對于高壓級旁通調節，基于平原運行時兩級增壓柴油機的性能試驗數據，可以通過式（8）獲得增壓系統的等效面積海拔調節能力，對比預測結果與試驗結果，其誤差值如圖9 所示。可以看出，在2000、3000 和4500 m 3 個典型海拔運行時，不同的增壓系統等效面積調節量對應的海拔調節能力與試驗結果基本吻合。在不同海拔運行范圍內，海拔預測誤差均小于5%的相對誤差值。這表示增壓系統等效的海拔調節高度的計算結果具有較高的精度，可以作為增壓系統變海拔調節范圍的評判依據。

圖9 不同工況增壓系統等效面積的海拔調節能力預測值與試驗結果對比

通過上述試驗結果與模型計算結果的對比可知，其固定等效面積的海拔自調節能力和等效面積變化量的海拔調節能力分析結果均與變海拔臺架試驗結果一致，且誤差值小于5%，能夠滿足工程應用需求。因此，固定等效面積的海拔自調節能力與增壓系統的海拔調節能力分析方法具有足夠的精度，可以用以分析和預測不同柴油機和增壓系統的海拔自適應與調節能力。

4 結論

本文中采用熱力學建模的方法，研究了增壓系統的海拔高度自適應與調節能力，并在變海拔柴油機性能測試試驗臺上開展了相關的試驗研究。本文的主要結論如下。

（1）推導了增壓柴油機海拔自適應能力分析模型。低負荷工況的燃燒自適應能力較強，而高轉速工況的增壓系統自適應能力較強。對于增壓柴油機，為了實現更高海拔自調節能力，增壓系統需采用較小的等效面積且維持較高的系統效率。

（2）建立了增壓系統的海拔調節能力分析模型。相同調節量下，單級增壓旁通調節方式以過量空氣系數降幅最大為代價獲得了較強的海拔調節能力，兩級增壓系統低壓級調節方式的海拔調節能力最弱。兩級增壓系統高壓級調節方式能夠實現4500 m 海拔范圍內過量空氣系數不降，且效率降幅最小。為了實現海拔高度的大跨度高效調節，須采用兩級增壓系統高壓級調節方式。

（3）完成了變海拔增壓系統海拔自適應與調節能力試驗驗證。試驗結果顯示，在不同轉速的低負荷和外特性工況，海拔自適應能力計算結果與試驗結果吻合；在不同海拔運行范圍內，海拔調節能力計算結果誤差均小于5%。本文中推導的模型具備足夠的精度，可以評價不同等效面積增壓系統的海拔自調節能力以及計算增壓系統的海拔調節能力。